一類光伏電站架構體系的風荷載特性及折減分析

_類光伏電站架構體系的風荷載特性及折減分析周煒;何斌;蔡晶;鄧霞;劉丹【摘要】Thesolarphotovoltaicpowergenerationhasbecomeanimportantpartofthegreenenergydevelopmentandutilizationintheworld.Thecablestructuralsystemofphotovoltaicpowerstationhasbeenfocusedbecauseofmanyadvantages.Windcanbringaboutthemainloadactingonthephotovoltaicpanelsofphotovoltaicpowerstation.ThetwodimensionalComputationalFluidDynamics(CFD)numericalsimulationtechnologyisadoptedtoanalyzethewindloadcharacteristicsofarrayedphotovoltaicpanels.Fortwokindsofextremeconditions,whicharetheloadedcasesofforwardwindandbackwardwind,thewindloadanditsreductioncharacteristicsareanalyzedintheinvestigationconsideringtheeffectsofthephotovoltaicpanelangle,distancebetweenpanelsandheightofpanels.Theanalysismethodandcorrelativeconclusionarehelpfultothestructuralstrengthdesignofphotovoltaicpowerstation.%太陽能光伏發(fā)電已成為全球綠色能源開發(fā)利用的重要組成部分，拉索式架構體系光伏電站由于諸多優(yōu)點備受關注.風是光伏電站架構體系中光伏板的重要荷載因素，采用二維計算流體動力學數(shù)值模擬技術研究陣列排放光伏板的風荷載特性,針對正向風載、背向風載兩種極限工況，分析了光伏板傾角、板間距和板高度等因素對光伏板的風荷載及其折減特性的影響.相關分析方法和結論可為光伏電站架構體系的結構強度設計提供載荷依據(jù).【期刊名稱】《結構工程師》【年(卷)，期】2018(034)002【總頁數(shù)】9頁(P86-94)【關鍵詞】光伏電站;拉索式架構體系;計算流體動力學;風載荷;折減系數(shù)【作者】周煒;何斌;蔡晶;鄧霞;劉丹【作者單位】南京工業(yè)大學工程力學系，南京210009;南京工業(yè)大學工程力學系，南京210009浦京工業(yè)大學工程力學系浦京210009;羲和太陽能電力有限公司浦京210012;羲和太陽能電力有限公司，南京210012【正文語種】中文0引言太陽能是一種可再生能源，具有清潔無污染，取之不盡，用之不竭等優(yōu)點，因此相關新型工程結構引起工程人員的重視［1-2］。光伏發(fā)電已成為全球綠色能源開發(fā)利用組成中的重要部分［3-4］,楊金煥等根據(jù)天空散射輻射各向異性的Hay模型，在傾斜面上輻射量的基礎上推導得到了冬半年朝向赤道傾斜面最佳傾角的數(shù)學表達式［5-6］。丁明等運用粒子群算法求解以最大發(fā)電量和最大收益為目標的光伏陣列自身陰影損失的改進模型［7］。孫英云等在光伏陣列的隱互補模型基礎上提出效用函數(shù)的光伏陣列I-U特性求解算法［8］。王晶晶等基于BSRN3000太陽輻射觀測系統(tǒng)近3年的全年度太陽能氣象實測數(shù)據(jù)，分析了呼和浩特地區(qū)傾角可調式太陽能光伏板表面接收的太陽輻射，得出了半年調整是該地區(qū)的光伏板傾角調整的最適合方案［9］。光伏板是光伏電站架構體系中直接承受風載荷的主要組件，風荷載是光伏電站架構體系中作用力最大的系統(tǒng)載荷,其研究手段主要圍繞風洞試驗和計算流體動力學(簡稱CFD)仿真兩方面有效展開，風洞試驗受到研究周期長、費用高等問題的限制不易實施,CFD仿真倍受工程技術及科研人員的青睞［10］。AlyMousaad等針對安裝在具有兩個傾斜面的屋頂太陽能構件風載荷分析，發(fā)現(xiàn)屋頂不同區(qū)域風載荷特性存在明顯差異［11］。Cao等針對屋頂陣列光伏構件風載荷進行了系列風洞試驗，尋找合適的建筑高度、屋頂結構和光伏板安裝間距等參數(shù)［12］。牛斌等采用CFD方法分析光伏陣列所受風壓，得到第一排光伏板為主要受力結構，其余陣列受首排保護受力較小［13］。阮輝等針對4.2m安裝間距的5塊光伏陣列，進行了表面風荷載數(shù)值的CFD仿真，發(fā)現(xiàn)在電池板中間截面受到較大正負荷載作用，而靠近電池板邊壁處受到較小正負荷載作用［14］。該研究在以上研究基礎上采用CFD仿真分析了光伏陣列的風荷載折減規(guī)律，以及光伏板的高度、傾角和間隔對折減規(guī)律的影響。CFX是全球第一個通過ISO9001質量認證的大型商業(yè)CFD軟件,是英國AEATechnology公司為解決工業(yè)實際問題而開發(fā)，已用于光伏發(fā)電系統(tǒng)分析［13-14］。Standardk-8模型自從被Launder和Spalding提出之后，就變成工程流場計算中主要的工具,它是個半經(jīng)驗的公式，是從實驗現(xiàn)象中總結出來的。RNGk-s模型在Standardk-s模型的基礎上進行了改進，考慮到了湍流漩渦，提高這方面的精度，目前有鈍體繞流的低速風場，湍流模型一般選用RNGk-s模型［15］。本文針對拉索式架構體系光伏電站結構，基于CFX計算平臺，采用RNGk-s湍流模型，進行光伏板風荷載仿真計算，可為拉索式架構體系光伏電站架構體系的結構強度設計提供載荷依據(jù)。1控制方程在結構風工程中，結構物處于各梯度低速風場中，因此采用不可壓縮黏性流體模型［16］。若不考慮流場中溫度變化，則可認為流體的動力學黏度p和密度p為常數(shù)。在連續(xù)介質假設下,二維流場可通過下列基本方程描述［16］:連續(xù)性方程(1)運動方程(2)本構方程⑶將式(3)帶入式(2),并考慮式(1),得到Navier-Stokes方程⑷式中：vi,vj是流體速度矢量;xi,xj是平面坐標;fi為單位質量流受到的體積力矢■；pji,pij為流體壓力的二階張量;&j是克羅內克符號;前面變量的下標i,j是自由坐標,可取1,2,分別表示x,y;v為流體的運動黏度系數(shù);p為流體密度;p為流體壓力的非靜力分量;t為時間矛為動力學黏度系數(shù)。常溫常壓下(20。^1個標準大氣壓)，取空氣的黏性系數(shù)p=1.7894x10-5kg/(m?s),密度p=1.225kg/m3,式(4)和式(1)組成了求解vi和p的基本方程。大渦模擬方法的主要思想是通過求解用濾波函數(shù)處理過的瞬時N-S方程來模擬大尺度渦,小尺度渦則通過求解附加方程得到［17］。在二維不可壓縮湍流中，對于瞬時變量中'有(5)式中：是大尺度平均分量沖是小尺度分量。(6)式中：D是流動區(qū)域;x1,x2是實際流動區(qū)域的平面坐標;是濾波后大尺度平面上的平面坐標;是高斯濾波函數(shù)(i=1,2)。⑺式中：是方向的網(wǎng)格尺寸。通過方程式(6)、式(7)將瞬時的N-S方程和連續(xù)方程過濾,得到大渦模擬所使用的控制方程：(8)⑼式中：是濾波后的速度矢量;是濾波后壓力的非靜力分量;是常數(shù);前面變量的下標i,j是自由坐標，可取12分別表示x,y［18］。Standardk-8和RNGk-8湍流模型都屬于基于雷諾平均法的渦黏模型［19］。Standardk-￡湍流模型主要考慮了湍流動能方程和湍動擴散率方程,并假定流場完全是湍流。RNGk-8和Standardk-8湍流模型很相似相比Standardk-&它修正了湍動黏度從而可以更好地處理湍流渦旋［15］。2力學建模2.1研究模型本文采用的研究對象是如圖1所示的拉索式光伏架構體系，圖2是其幾何三維模型。因為受風載的大部分是光伏板，所以可以將模型簡化主要受風載荷的光伏板。選擇—種具有代表性的光伏板，其尺寸為1.65mx0.992mx0.02m,傾角為28°,前后距離為3.187m,距地面高度為3m,—排共12列光伏板，如圖2所示。組件坐標系見圖3,模型均以實際尺寸建立，所有計算模型阻塞比滿足數(shù)值模擬計算要求，阻塞比表示模型中風道截面上的投影面積與風道截面積之比［20-22］。圖1光伏架構體系Fig.1Photovoltaicstructuralsystem圖2光伏架構體系三維模型圖Fig.23DmodelofPhotovoltaicstructuralsystem圖3光伏板模型示意圖Fig.3Diagramofphotovoltaicpanels2.2網(wǎng)格劃分與邊界條件網(wǎng)格劃分時把流場分成屬于一個部件的三個部分，中間部分,流體的變化比較復雜，特別是靠近陣列板的部分,該區(qū)域采用膨脹網(wǎng)格，在板的長方向設置60個節(jié)點,寬方向設置3個節(jié)點，如圖4所示。中間部分一共存在70萬個節(jié)點，網(wǎng)格250萬。上下兩區(qū)域采用multizone網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸設置為0.2m,節(jié)點21.6萬網(wǎng)格38萬如圖5所示。在單元的一些特定點上計算出雅可比矩陣行列式，最大值跟最小值的比率就是雅克比值，值為1最好，值越大就說明單元越扭曲?；谝粋€給定單元的體積與邊長間的比率就是網(wǎng)格質量值。其值處于0和1之間,0為最差,1為最好。這里流場網(wǎng)格的雅克比平均值1.1,網(wǎng)格質量平均值0.7,網(wǎng)格質量符合要求。圖4光伏板局部網(wǎng)格劃分Fig.4Localgridpartitionofphotovoltaicpanels圖5流場網(wǎng)格劃分Fig.5Gridpartitionofflowfield邊界條件設置，流體材料設為空氣，密度為1.225kg/m3,入口處平均風速根據(jù)建筑設計規(guī)范，取十級風速20m/s。出口處靜壓為1個大氣壓。設置光伏板為固壁壁面，對近壁面區(qū)采用標準壁面函數(shù)法。由于計算模型為鈍體低速繞流,RNGk-8湍流模型較為合適［15］。動量采用二階迎風離散格式，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法［18］。3數(shù)值模擬與結果分析建立光伏板離地高度3m/頃角28°,板間距3.187m的CFD模型，計算得到z=0軸截面的正向工況和背向工況速度云圖，如圖6、圖7所示。分析發(fā)現(xiàn)前兩列光伏板的板前風速變化大,壓力變化也會相應比較大;這是由于均勻來流受到迎風面第一列光伏板阻擋后，流場發(fā)生適應性變化;在第三列光伏板位置處高低方向稍微遠離組件的位置流場趨于均勻，于是后續(xù)光伏板周圍流場相對類似、變化較小。圖8、圖9分別為背向離地高度3m、板間距3.187m時光伏板傾角為28°和14°的流線圖。從圖中可以看出,傾角為28°時在第一、二列板之間會形成明顯的渦流，而在傾角為14°時，在第一、二列板之間沒有形成渦流,結構參數(shù)對流場特性影響很大工程設計中應充分考慮結構參數(shù)變化對風載荷的影響。下面將從工程應用的角度出發(fā)，特別是從結構體系強度設計等方面考慮，重點分析風載荷對整體某一光伏板的作用，分析不同安裝高度的光伏板風荷載折減特性、不同安裝傾角的光伏板風荷載折減特性、不同光伏板間距的光伏板風荷載折減特性等的影響。圖6正向速度云圖(Z=0截面，速度單位:m/s)Fig.6Velocityfieldcloudpictureofforwardwind(Z=0section,velocityUnit:m/s)圖7背向速度云圖(Z=0截面，速度單位:m/s)Fig.7Velocityfieldcloudpictureofbackwardwind(Z=0section,velocityUnit:m/s)圖8背向傾角為28°前三列光伏板周圍流線圖Fig.8Streamlinediagramaroundfirstthreecolumnsphotovoltaicpanelswithaninclinationof28°圖9背向傾角為14°前三列光伏板周圍流線圖Fig.9Streamlinediagramaroundthefirstthreecolumnsphotovoltaicpanelswithaninclinationof14°為了提取光伏板所受風阻對結構體系的影響，將光伏板視為剛體，于是作用于光伏板上的復雜分布空氣動力可簡化為力系的主矢和主矩。光伏板所受的載荷主要是垂直于光伏板的正壓荷載和所受的傾覆作用力矩，其對光伏結構體系的承載有重要影響。這里將分布風阻向光伏板上距離地面最近的點簡化得傾覆作用力矩和阻力載荷。這兩個參量將成為下面分析的重點，由CFD計算可得光伏陣列各個光伏板的正壓荷載和作用力矩，如圖10、圖11所示。觀察圖10和圖11發(fā)現(xiàn)無論正向還是背向光伏板所受正壓荷載都隨流場的深入逐步衰減，且前兩列光伏板所受風荷載變化最大，正向正壓載荷和作用力矩折減達到50%,背向正壓載荷折減達到30%,作用力矩折減達到60%。這是因為第一、二列光伏板之間和第二、三列光伏板之間的渦流特性影響了第二列光伏板的流場壓力分布，使其整體受力出現(xiàn)顯著的變化，詳細結果見圖12所示的前三列光伏板周圍壓力云圖。后續(xù)光伏板風荷載單調折減，且最后幾列光伏板風荷載折減率比較小，風荷載趨于穩(wěn)定。背向載荷總體比正向載荷大,光伏板背向載荷是結構強度設計需要重點關注。圖10正向背向光伏板所受正壓載荷對比Fig.10Comparisonofpositivepressureloadsbetweenforwardwindandbackwardwind圖11正向背向光伏板所受作用力矩對比Fig.11Comparisonoftorquebetweenforwardwindandbackwardwind圖12背向前三列光伏板周圍壓力云圖Fig.12Pressurefieldcloudpicturearoundfirstthreecolumnsphotovoltaicpanelsofbackwardwind3.1不同高度的光伏板風荷載折減特性保持光伏板傾角28°、板間距3.187m,光伏板的安裝高度一般根據(jù)使用條件來確定，比如不能被遮擋，不能被水淹，一般離地高度大于0.5m,有農(nóng)業(yè)耕種的光伏板離地高度3m左右。本文選取常用的光伏板離地高度0.5m、1m、2m、3m,分別建立CFD模型，分析光伏板離地高度對風荷載的影響。圖13和圖14為正向、背向第一列光伏板的所受的正壓載荷和作用力矩。觀察圖13和圖14發(fā)現(xiàn)正壓載荷和作用力矩都隨著光伏板高度的增大而減小，且背向所受正壓載荷和作用力矩都比正向時大，且隨著高度增加，正向、背向的正壓載荷差距急劇變小。圖13第一列光伏板所受正壓載荷Fig.13Positivepressureoffirstcolumnphotovoltaicpanels圖14第一列光伏板所受作用力矩Fig.14Torqueoffirstcolumnphotovoltaicpanels圖15、圖16為不同離地高度光伏板陣列所受作用力矩和正壓載荷對比，分析發(fā)現(xiàn)不同高度的光伏板陣列折減趨勢基本一致。離地高度越大，第一列到第二列的折減率越小，末尾幾列的風荷載也越大一些。圖15不同離地高度光伏板所受正壓載荷對比Fig.15Comparisonofpositivepressureloadsindifferentheights圖16不同離地高度光伏板所受作用力矩對比Fig.16Comparisonoftorqueindifferentheights3.2不同傾角的光伏板風荷載折減特性在保持光伏板離地高度3m、板間距3.187m不變的情況下，由于光伏板傾角和地理位置相關，本文選取具有代表性的4個傾角14°、21°、28°、35°,建立4個CFD模型。根據(jù)模擬計算結果，可以得到不同傾角正壓載荷和作用力矩，如圖17、圖18所示。隨著傾角增大，第一列光伏板的風荷載單調增大。傾角為14°,21。時，第二列的風荷載小于第三列，傾角為28°,35°時，第二列風荷載大于第三列，傾角的變化會影響第二、三列的光伏板風荷載變化規(guī)律。傾角對末尾的光伏板風載荷影響較小。除第一列光伏板外，傾角變化對其他光伏板受力影響復雜，大范圍內難以發(fā)現(xiàn)較強規(guī)律性。圖17不同傾角光伏板所受正壓載荷對比Fig.17Comparisonofpositivepressureloadsatdifferentangles圖18不同傾角光伏板所受作用力矩對比Fig.18Comparisonoftorqueatdifferentangles3.3不同間距的光伏板風荷載折減特性保持光伏板離地高度3m、光伏板傾角28°不變，光伏板間距可以根據(jù)光伏發(fā)電站設計規(guī)范(GB50797—2012)計算得到。本文選取該尺寸光伏板常用的間距2m、2.5m、3.187m、3.5m、4m,建立5個CFD模型。仿真可得不同間距情況下的正壓載荷和作用力矩，如圖19、圖20所示。分析發(fā)現(xiàn)由于后續(xù)光伏板對繞過來流方向第一列光伏板尾流的遮擋作用，使得不同間距的光伏列陣，來流方向第一列光伏板風載荷也不相同。并且由于渦流的影響，第二列光伏板的風荷載比第一列和第三列的風荷載小。隨著間距的增大，第二列板的風載荷快速增大,后續(xù)光伏板的風荷載折減趨勢一致。間距對末尾的光伏板風載荷影響較小。圖19不同間距光伏板所受正壓載荷對比Fig.19Comparisonofpositivepressureloads>withdifferentdistances圖20不同間距光伏板所受作用力矩對比Fig.20Comparisonoftorquewithdifferentdistances4結論本文針對光伏電站拉索式構架體系風荷載特性及其折減性能進行數(shù)值仿真，分析了正向風載、背向風載工況下，光伏板高度、光伏板傾角和光伏板間距對風荷載以及其折減特性的影響，結論如下：在數(shù)值上，背向風載荷大于正向風載荷。正向、背向兩種工況下,第一列光伏板所受的正壓載荷和作用力矩都隨著高度增大而減小;且隨著高度增加，正向、背向的正壓載荷差距變小，第一列到第二列的折減率變小，末尾幾列的風荷載變大。⑶傾角增大，第一列光伏板的風荷載也會隨之增大。光伏板傾角的變化會影響第二三列的光伏板風荷載的變化規(guī)律。傾角對末尾的光伏板風載荷影響較小。⑷光伏板間距變化時，第一列光伏板的風荷載值不同;第二列板的風荷載比第一列和第三列的風荷載小;第二列板的風載荷隨著間距增大而增大;后續(xù)的光伏板風荷載折減趨勢一致。參考文獻【相關文獻】章紅梅，董金芝,師振華，等.一種扣件+卡槽組合式連接的帶光伏板剪力墻擬靜力試驗研究[J].結構工程師,2015,31(5):127-134.ZhangHongmei,DongJinzhi,ShiZhenhua,etal.ExperimentalstudyonpseudostaticresponseofaRCshearwallwithabuild-upfastening-grooveconnectedphotovoltaicpanel[J].StructuralEngineers,2015,31(5):127-134.(inChinese)梁亞偉,章紅梅，師振華.卡式連接的帶光伏板剪力墻擬靜力與發(fā)電性能試驗研究[J].結構工程師,2016,32(3):141-148.LiangYawei,ZhangHongmei,ShiZhenhua.LowcyclicloadingandpowergenerationperformancestudyonPV-shearwallintegratedsystembyaplug-inconnector[J].StructuralEngineer,2016,32(3):141-148.(inChinese)崔容強，汪建強,孟凡英，等.太陽能光伏發(fā)電之未來[J].可再生能源,2008,26(3):96-101.CuiRongqiang,WangJianqiang,MengFanying,etal.ThefutureofPVpowergeneration[J].RenewableEnergyResources,2008,26(3):96-101.(inChinese)曾祥光，殷俊，馮鑒.動車組太陽能光伏發(fā)電技術應用研究[J].可再生能源,2012,30(12):15-20.ZengXiangguang,YinJun,FengJian.ThestudyofsolarphotovoltaictechnologyappliedonEMU[J].RenewableEnergyResources,2012,30(12):15-20.(inChinese)楊金煥.固定式光伏方陣最佳傾角的分析[J].太陽能學報,1992,13(1):86-92.YangJinhuan.Analysisofoptimumtiltedangleforfixedphotovoltaicarray[J].ActaEnergiaeSolarisSinica,1992,13(1):86-92.(inChinese)楊金煥，毛家俊,陳中華.不同方位傾斜面上太陽輻射量及最佳傾角的計算[J].上海交通大學學報,2002,36(7):1032-1036.YangJinhuan,MaoJiajun,ChenZhonghua.Calculationofsolarradiationonvariouslyorientedtiltedsurfaceandoptimumtiltangle[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity,2002,36(7):1032-1036.(inChinese)丁明，劉盛，徐志成.光伏陣列改進優(yōu)化設計方法與應用[J].中國電機工程學報,2013,33(34):1-8.DingMing,LiuSheng,XuZhicheng.Animprovedoptimizationdesignmethodforsolarphotovoltaicarraysandengineeringapplication[J].ProceedingsoftheCSEE,2013,33(34):1-8.(inChinese)孫英云，侯建蘭，李潤，等.基于隱互補問題的光伏陣列模型及其求解算法[J].中國電機工程學報,2014,34(34):6066-6073.SunYingyun,HouJianlan,LiRun,etal.Aphotovoltaicarraymodelbasedonimplicitcomplementarityproblemanditsalgorithm[J].ProceedingsoftheCSEE,2014,34(34):6066-6073.(inChinese)王晶晶，王志敏,馮志誠，等.基于實測數(shù)據(jù)的可調式太陽能光伏板傾角計算分析[J].可再生能源,2014,32(3):265-269.WangJingjing,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